凝聚態(tài)物理體系中磁場驅(qū)動導(dǎo)致的幾類量子振蕩現(xiàn)象大都非常優(yōu)美,它們的出現(xiàn)都與一些特定的物理機制有關(guān)。例如,在超導(dǎo)環(huán)的Little-Parks實驗中可觀測到超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度(Tc)隨磁場(B)的周期性振蕩;在介觀導(dǎo)體環(huán)中出現(xiàn)以B為振蕩周期的Aharonov-Bohm和Altshuler-Aronov-Spivak振蕩。上述兩種量子振蕩都涉及磁通量子化現(xiàn)象。再如,在de Haas–van Alphen (dHvA) 和 Shubnikov–de Haas (SdH)效應(yīng)中,一些可觀測物理量表現(xiàn)出以1/B為周期的振蕩,其物理機制源于磁場中電子軌道的朗道量子化。近來在個別體系中還報道有隨對數(shù)磁場的電阻振蕩等。
最近,中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心固態(tài)量子信息與計算實驗室Q02/HX-Q02組屈凡明研究員、呂力研究員團隊與T06組周毅研究員團隊、HM-01組石友國研究員團隊、電子科技大學(xué)劉富才教授團隊等合作,在基于電荷密度波(TaSe4)2I和TaS3一維納米線中發(fā)現(xiàn)了一種新型的電驅(qū)動型量子振蕩現(xiàn)象,即電壓V隨著電流倒數(shù)1/I呈現(xiàn)出周期性的振蕩。從現(xiàn)象上看,這種以1/I為周期的振蕩與以1/B為周期的dHvA、SdH磁驅(qū)動量子振蕩有異曲同工之妙。
(TaSe4)2I和TaS3是一種擁有范德瓦爾斯結(jié)構(gòu)的準一維電荷密度波材料,研究團隊利用膠帶解離方法得到其納米線,利用Ti/NbTiN或Ti/Nb材料制備電極,并分析其伏安特性(V-I)曲線隨溫度的變化。在溫度從室溫經(jīng)過電荷密度波轉(zhuǎn)變溫度TCDW降到系統(tǒng)基溫1.55K過程中,V-I曲線漸漸表現(xiàn)出非線性行為,并在一定電流區(qū)間內(nèi)微分電阻接近于零,表明理想Frohlich電導(dǎo)態(tài)的出現(xiàn)(微分電導(dǎo)趨于無窮大)。有意思的是,在Frohlich電導(dǎo)區(qū)域,V隨I表現(xiàn)出鋸齒型振蕩。如果將橫坐標軸轉(zhuǎn)換為1/I,則表現(xiàn)為周期性振蕩(圖1、3、4),并且振蕩指數(shù)n可以到1(圖3)。這種振蕩現(xiàn)象在不同器件和不同電荷密度波材料中都能重復(fù)。通過對大量器件的測量,研究團隊認為它的出現(xiàn)需要滿足特定的條件,包括但不限于:電極與材料界面有較低的耗散、較低的電磁噪聲干擾、純凈的電荷密度波電流(滑移之前絕緣性好)、遠低于TCDW的溫度等(圖2、4)。
周毅研究員的初步理論模型認為在電荷密度波絕緣體中,電流驅(qū)動其滑移,可等效于存在一個時間周期勢,能夠產(chǎn)生Floquet子能帶(圖4)。以這些子能帶作為媒介,一端電極處的電子通過共振隧穿(相干輸運)的形式進入另一端電極,故當(dāng)電極費米面與電荷密度波納米線中某子能帶對齊時,對應(yīng)于V-I曲線中的電壓驟降,即電壓振蕩。在這個前提下,該模型同時巧妙地給出了以1/I為周期的振蕩規(guī)律,與實現(xiàn)結(jié)果吻合。
相關(guān)研究成果以“Inverse-current quantum electro-oscillations in a charge density wave insulator”為題發(fā)表在Physical Review B上。中國科學(xué)院物理研究所Q02/HX-Q02組博士后樂天(已出站)和博士生蔣睿陽為共同第一作者,屈凡明研究員和呂力研究員為共同通訊作者;合作者還包括呂昭征副研究員、沈潔特聘研究員、劉廣同研究員、李治林副研究員、南開大學(xué)曹學(xué)偉教授等。上述工作得到國家重點研發(fā)計劃項目、國家自然科學(xué)基金委、中國科學(xué)院先導(dǎo)專項、科技創(chuàng)新2030―“量子通信與量子計算機”重大項目、綜合極端條件實驗裝置等的資助。
相關(guān)工作鏈接:https://doi.org/10.1103/PhysRevB.109.245123

圖1.a.(TaSe4)2I納米線器件D2的V-I曲線隨溫度的變化;b.在1.55K電壓V隨電流I變化呈現(xiàn)的鋸齒型振蕩;c.電壓V隨電流倒數(shù)1/I的變化。

圖2.a.(TaSe4)2I納米線器件D3的V-I曲線中振蕩隨溫度的變化,當(dāng)溫度高于NbTiN的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變Tc時,振蕩曲線開始變得模糊;b.8K時V-I曲線中的振蕩隨磁場的變化,當(dāng)外加磁場高于NbTiN的上臨界場Hc2時,振蕩曲線開始變得模糊;c.1.55K時V-I曲線中的振蕩隨磁場的變化;d.Ti/NbTiN電極的R-T曲線隨磁場的變化。?

圖3.a.(TaSe4)2I納米線器件D3中V隨1/I的變化,表現(xiàn)出完美的周期性;b.D3的V-I曲線中每個振蕩位置的1/In隨振蕩指數(shù)n表現(xiàn)出的線性行為;c.在D1器件中觀測到振蕩指數(shù)n可以達到1,之后隨著電流增加振蕩消失。??

圖4.a.在測量線路中加濾波后可以使振蕩表現(xiàn)地更加明顯;b和c.在TaS3納米線器件中觀測到的1/I周期的振蕩;d.滑移電荷密度波態(tài)中以Floquet子能帶為媒介的共振隧穿模型。